引入智能教具 創新實驗教學

王愛偉

隨著編程和開源硬件的推廣與普及，教育工作者開始把編程與數學、物理、生物、科學等學科進行融合。通過編程+學科實現教育創新，小學科學+編程+開源硬件在創新實驗教學方面的優勢非常突出。筆者作為一名小學科學老師，在創新科學實驗教具方面做了一些嘗試。本文以蘇教版《科學》教材四年級上冊第二單元中的《冷熱與溫度》一課教學為例，從教材分析、學情分析、教學目標、教學過程、創新之處等幾個方面談談筆者的做法。

一、教材、學情分析

本節課選自蘇教版《科學》四年級上冊第二單元“冷和熱”的第一課，這一單元主要是根據《科學（3～6年級）課程標準》中“能的表現形式”和“物體與物質”中的要求建構的。教材通過“了解溫度計的作用”“學習使用溫度計”“”連續測量熱水的溫度”這三個部分來幫助學生認識冷熱與溫度。從結構上看，這一單元探究的都是生活中一般的熱現象極其簡單的規律。

冷和熱是生活中常見的現象，如氣溫的高低、物體的冷暖、食物加熱、冰箱制冷、測量體溫等等。這些學生都有豐富的生活經驗，但他們對冷和熱的認識，更多的時候還是停留在自我感覺的層面，對很多冷熱現象，他們還不能做出合理的解釋。因此，當教材引領學生聚焦生活中一些常見的冷熱現象時，他們面對熟悉的現象卻不能做出合理的解釋，而通過問題引領，可以激發學生的內驅力。

根據學情，合理制定教學目標。我在本課中利用編程和開源硬件創新實驗教具，當實驗探究遇上編程和開源硬件，就發生了一系列的化學反應。學生感受到了智能制造的無限可能，培養了創新意識。基于以上對教材和學生的分析，筆者制定了如下教學目標。

二、教學目標設定

學習使用水銀溫度計，初步學會用溫度計測量水溫，正確使用溫度計測量溫度。

通過小組合作能夠連續測量熱水的溫度變化，得出熱水降溫的過程是先快后慢。

能夠耐心、細致地觀察和記錄數據，養成嚴謹的科學精神。

了解電子測溫計的工作原理，通過智能教具，了解編程和開源硬件在產品制造中的應用，讓學生感受到產品在不斷迭代升級，科技發展給我們的生活帶來便利。本課的教學重點是讓學生學會測量水溫的方法。本課的教學難點是連續測量一杯熱水的降溫過程，發現溫度變化的規律。

三、教學設計

（一）導入新課

受新冠疫情的影響，體溫成了一個敏感的話題。上課伊始我先讓學生說一說平時用什么測量體溫。當學生提到電子測溫計的時候，我讓兩名學生分別用電子測溫計和水銀溫度計測體溫，感受兩者的不同，讓學生談測溫的感受，順勢引出問題：“你想知道電子測溫計的工作原理嗎？”激發學生的探究欲望。

（二）探究過程

小學科學的重要任務，不僅在于傳授科學知識，更重要的是培養學生的科學研究方法。整個探究環節分為四個部分。

討論預測。在討論預測環節中，讓學生充分交流預測結果。學生預測的結果分四種情況：先快后慢、先慢后快、勻速降溫、沒有規律。

實驗驗證。小組合作利用鐵架臺固定溫度計，每隔2分鐘記錄一次水的溫度，記錄數據。在實驗過程中，培養學生良好的實驗習慣。

數據分析得出結論。采集完實驗數據，學生繪制統計圖。學生根據統計圖，分析溫度的變化規律。由于課堂時間有限，學生得到的數據并不多，很多小組繪制的統計圖規律不明顯，學生討論熱烈，卻無法得出統一的結論，給其認知造成了困擾。

我此時出示正在采集數據的電腦屏幕，看著電腦繪制的折線統計圖，學生驚訝的表情我至今記憶猶新。他們忍不住贊嘆太神奇了：“老師這是什么？”“它是怎么做到的？”我開始給學生介紹編程軟件，溫度傳感器、主控板等硬件及連接方法，學生的學習熱情達到了高潮。我讓學生暢所欲言，他們說出了這個實驗儀器的很多優點，在體驗了智能設備優勢的同時還提出了改進的方向，一連串有價值的問題就像發生了連鎖反應一樣涌現。

學生根據智能設備繪制的折線統計圖，順利地得出熱水變涼是一個先快后慢的過程。趁熱打鐵，我又向學生拋出了一個難題：熱水變涼，為什么會先快后慢呢？學生再仔細觀察分析統計圖，不難推理出：熱水剛倒入杯中時，與周圍環境的溫度相差很大，熱量散發得很快，當逐漸與周圍環境的溫差變小時，熱的散發速度就減慢了。通過創新智能，順利突破了本課的教學難點。

拓展延伸。為了進一步激發學生的探究熱情，我提出一個課后探究問題：利用今天的智能測溫計還能做哪些實驗？

在實驗過程中，學生經歷了提出問題、做出假設、制定計劃、搜集數據、處理信息、得出結論、表達交流、評價反思等過程。這是一個相對典型、比較完整的科學探究過程，學生以數據分析為基礎推理得出結論，落實了新課標對實驗探究的要求。

四、教具創新之處

本實驗所用到的智能測溫計的核心構件是傳感器結合編程軟件，完成實驗數據采集、統計等工作。

采集的數據以折線統計圖的形式呈現，數據顯示形象直觀，學生感受到了采集大量數據統計的精確、快捷，得出的實驗結果更有說服力。

讓學生感受到編程和開源硬件在實驗教學中的應用，使之有了一次全新的實驗感受。

比如，實驗教具在采集數據過程中，無須人工操作，點擊開始后儀器就會自動在設定的時間間隔里采集數據，而且時間間隔可根據需要設定，節約了人力，提高了課堂效率。

通過本節課中對實驗教具的改進，我看到了創新實驗教具給課堂帶來的活力。本節課讓學生經歷了一次神奇的科學探秘之旅，課堂里充滿了驚嘆聲和笑聲。

小學生從不缺乏對新事物的探索熱情，只要抓住了學生的好奇心，課堂效率就會大大提高。本節課通過智能教具的引入，為學生打開了一扇窗口，讓他們體驗到：從發明水銀測溫計、電子測溫計到發明紅外線測溫計、紅外線測溫成像儀等，一個小小的溫度計體現了科技的不斷進步和產品的不斷迭代。他們充滿信心地說，我要去研究制造更智能的測溫計。